曹新宇 ,* ,3

(1.上海大學(xué)土木工程系,上海 200444; 2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海 200092;3.上海大學(xué)文化遺產(chǎn)保護(hù)基礎(chǔ)科學(xué)研究院,上海 200444)

0 引 言

我國在漫長歷史變遷中留下了大量珍貴的古建筑。由于年代久遠(yuǎn)和環(huán)境影響,古建筑遭受不同程度的損壞。

國內(nèi)外學(xué)者對砌體抗壓性能進(jìn)行了大量研究。Cultrone等[1]研究了砌體結(jié)構(gòu)的耐久性,得到了凍融情況下耐久性較好的灰漿組合;Gentilini等[2]發(fā)現(xiàn),鹽的種類和風(fēng)化周期對砌體結(jié)構(gòu)性能具有很大影響;彭斌等[3]認(rèn)為,可以使用貝葉斯方法、通過構(gòu)造似然函數(shù),估計現(xiàn)場信息不足時歷史建筑砌體的抗壓強(qiáng)度,結(jié)合直接法和間接法可以獲得砌體強(qiáng)度、降低推定結(jié)果的不確定性。童麗萍和時超[4]用數(shù)值模擬方法研究了傳統(tǒng)石砌房屋典型質(zhì)量病害成因機(jī)理,認(rèn)為最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在縱橫墻連接處;商效瑀等[5]基于損傷力學(xué)理論和應(yīng)變等價原理,研究了凍融循環(huán)下軸心受壓砌體的損傷特征,建立了相應(yīng)的本構(gòu)模型,為相應(yīng)氣候條件下砌體結(jié)構(gòu)耐久性評估提供了理論基礎(chǔ);鄭山鎖等[6]基于人工氣候模擬實驗室,對比分析了砌體試件破壞形態(tài)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系;湯永凈和邵振東[7]使用大氣環(huán)境實驗艙,研究了非飽和水凍融情況下古磚的動彈性模量;劉箴和唐岱新[8]提出了建筑結(jié)構(gòu)損傷的數(shù)學(xué)模型與相應(yīng)的磚墻裂縫損傷計算公式;張晏齊等[9]研究了隧道施工對鄰近砌體結(jié)構(gòu)變形的影響;王茂龍[10]運用損傷信號匹配技術(shù),通過算例驗證對破環(huán)工況進(jìn)行了預(yù)測分析;劉硯山和童麗萍[11]使用有限元分析手段,研究了罕遇地震下砌體結(jié)構(gòu)裂縫的開裂情況;方林等[12]使用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),研究了基坑施工對周邊既有砌體結(jié)構(gòu)房屋的影響;余瓊和王觀麟[13]使用實例分析了砌體結(jié)構(gòu)裂縫的成因,根據(jù)有限元模擬結(jié)果提出了裂縫的補(bǔ)救措施;劉航等[14]采用預(yù)應(yīng)力筋加固磚砌體結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)了地震作用下結(jié)構(gòu)的抗變形能力;吳昊等[15]提出以地震破壞控制為目的的結(jié)構(gòu)抗震加固設(shè)計思路;徐金明等[16]使用視頻圖像反映巖石的變形破壞過程,為巖石問題的精細(xì)化研究提供了新的思路。

目前,在役砌體結(jié)構(gòu)抗凍耐久性研究還不多,對凍融環(huán)境下古磚砌體的變化進(jìn)行研究具有較好的實際意義。同時,使用圖像處理技術(shù)分析試驗結(jié)果,可以更好地進(jìn)行定量化處理和實時化分析。本次研究將使用古磚凍融循環(huán)抗壓試驗結(jié)果與試驗圖像,運用圖像處理技術(shù)分析砌體試件的裂縫特征和凍融循環(huán)次數(shù)對古磚砌體抗壓性能的影響。

1 試驗方法

1.1 古磚樣品來源

試驗所用古磚樣品取自山西長治市平順縣一拆遷古民居,尺寸為280 mm × 135 mm × 70 mm。該古民居建于道光三年。當(dāng)?shù)啬昶骄邓繛?80 mm,年平均溫度為9.7 ℃,冬季最低氣溫為-30 ℃。

1.2 砌體制作

由于古磚樣品較為稀少、試驗具有不可重復(fù)性,所以本次試驗砌筑8組、共16個砌體試件。每個試樣由33塊磚砌成,灰縫厚度為10 mm,高厚比為3,試件外觀尺寸為280 mm × 425 mm × 870 mm (圖1)。

圖1 砌體試件示意圖Fig.1 Schematic plan of a masonry specimen

1.3 凍融循環(huán)試驗

1.3.1凍融循環(huán)破壞機(jī)理

多孔材料經(jīng)凍融循環(huán)發(fā)生破壞可從宏觀和微觀兩個方面解釋。從宏觀角度來說,建筑材料熱膨脹系數(shù)不同,材料受凍時材料內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力,多次凍融循環(huán)使材料性能劣化。從微觀角度來說,材料受凍時,當(dāng)含水量超過某一臨界值,孔隙中部分水結(jié)冰,導(dǎo)致體積膨脹、未結(jié)冰的水進(jìn)入其它孔隙。為了克服黏滯阻力,材料中將產(chǎn)生靜水壓力、進(jìn)而可能造成材料破壞。

1.3.2氣候環(huán)境模擬試驗系統(tǒng)

大氣環(huán)境實驗艙可以模擬不同的自然氣候,包括溫度變化、雨淋等。試驗時,大氣環(huán)境艙中溫度范圍在-20 ℃～20 ℃,雨滴直徑范圍控制在100～6 400 μm,雨淋強(qiáng)度為0～1.7 mm/min。

1.3.3凍融試驗

以山西長治市平順縣實際氣候情況確定凍融循環(huán)試驗。第一次凍融循環(huán)前砌體試件淋雨24 h,試驗時,在溫度降到-20 ℃開始計時、并持續(xù)5 h,然后升溫到20 ℃、耗時2 h,之后持續(xù)1 h,此后降溫1 h、降到10 ℃、并持續(xù)噴淋2 h,噴淋結(jié)束后降溫至-20 ℃。進(jìn)入下一次循環(huán)。每5次凍融循環(huán)后,淋雨2 h補(bǔ)充水分。由于古磚在凍融35次時發(fā)生斷裂,所以設(shè)定最大凍融循環(huán)次數(shù)為35次。將上述8組16個試樣按照不同凍融次數(shù)分為0、5、10、15、20、25、30、35次。對應(yīng)編號為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16。一個凍融循環(huán)內(nèi)的溫度變化曲線見圖2。

圖2 凍融循環(huán)溫度變化曲線Fig.2 Temperature variation curue in a freeze-thaw cycle

1.4 軸心抗壓試驗

將歷經(jīng)不同凍融次數(shù)的試件從大氣環(huán)境實驗艙取出,放置于試驗機(jī)上,安裝4個位移計和6個應(yīng)變片、分別測試橫向和豎向兩個方向的變形(具體位置如圖3所示)。進(jìn)行軸心抗壓試驗時,每級加載10 kN、持續(xù)1 min,而后施加恒載2 min。將出現(xiàn)第一條裂紋時相應(yīng)的荷載視為開裂荷載,將裂縫急劇擴(kuò)展、表面出現(xiàn)脫落視為試件完全破壞。

圖3 位移計和應(yīng)變計位置示意圖(單位:mm)Fig.3 Schematic plan of locations for displacement and strain gauges (Unit:mm)

加載結(jié)束后,用高清相機(jī)拍攝試件的外觀圖像(圖4)。為了后續(xù)圖像處理過程方便、處理結(jié)果真實,對每一級加載產(chǎn)生的裂縫用墨筆進(jìn)行描繪、墨線位置與實際裂縫完全一致。由圖4可知,磚塊四周灰度差別不大,裂縫周圍稍顯模糊。

圖4 加載結(jié)束后試件的原始外觀圖像Fig.4 An original image after load ended

2 基于圖像處理技術(shù)的裂縫寬度計算

對原始圖像,本文采用MATLAB平臺、通過編程處理方式對圖像預(yù)處理、提取裂縫位置、計算裂隙寬度,進(jìn)而對裂縫寬度變化進(jìn)行分析。

2.1 圖像的預(yù)處理

試件四周較暗,且裂縫周圍不太清晰,為了改善裂縫周圍的模糊圖像、更好地將裂縫識別出來,對亮度進(jìn)行了補(bǔ)償處理(研究時將原圖每一個像素值增加20)。同時,選取試件中裂縫存在區(qū)域作為研究區(qū)域、進(jìn)行后續(xù)處理。

2.2 裂縫的提取

提取裂縫時,使用點選與統(tǒng)計法來確定裂縫區(qū)域?qū)?yīng)的灰度閾值。因為只需從古磚中提取裂縫,可以將試件看成只含有裂縫和古磚兩種組分、忽略灰漿組分,且裂縫和古磚灰度為相鄰分布。設(shè)H1和σ1分別為古磚的灰度均值和方差,H2和σ2為裂縫的灰度均值和方差,兩種組分的灰度分界閾值T定義為:

(1)

式中:int為取整計算(因為實際灰度值為整數(shù))。

裂縫和古磚區(qū)域的點選統(tǒng)計結(jié)果見表1。使用式(1),得到裂縫和古磚之間的灰度分界閾值(66)。

表1 裂縫和古磚區(qū)域的點選統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Statistical results of cracks and ancient brick area

原始圖像(圖4)中,連續(xù)黑色物體是連接傳感器的電線,初步處理時發(fā)現(xiàn)該物體會對后續(xù)研究裂縫造成困擾,如圖5(a)所示。為了消除這一部分對識別結(jié)果的影響、使裂縫部分更為合理,需對閾值處理后的圖像進(jìn)行處理。首先采取邊界對象抑制的方法去掉二值圖中的黑色電線,而后采取形狀特征描述的方法去掉圖中不需要的陰影團(tuán)和雜質(zhì)(小面積部分),最后對所得圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理、采取半徑為2的圓形結(jié)構(gòu)元素清除裂縫邊緣、連接裂縫區(qū)域的狹窄缺口和小洞,最終得到圖5(b)。使用這些圖像處理方法得到的裂縫位置,較好排除了電線、位移計、應(yīng)變片、支架等對象的影響。

圖5 裂隙分布的二值圖Fig.5 Binary image of crack distribution

2.3 裂隙寬度的計算

根據(jù)二值圖像中裂縫的x、y坐標(biāo),依次累加裂縫所在位置某行(或者列)像素的個數(shù),得到該處裂縫寬度水平分量和豎向分量(像素)。以試件10-1為例,計算機(jī)截取的矩形區(qū)域為長2 154個像素點、寬4 161個像素點,對應(yīng)圖1的原型長寬尺寸、根據(jù)像素-實際物理量之間的比例關(guān)系,即可換算出相應(yīng)裂縫的實際寬度。

3 裂縫寬度變化分析

3.1 裂縫分析

以試件10-1為例進(jìn)行分析。試件的開裂荷載為150 kN;外荷繼續(xù)加大時,試件中出現(xiàn)少量寬度很小的裂縫;當(dāng)荷載加到290 kN時,試件出現(xiàn)大量荷載,裂縫逐步相互交叉,出現(xiàn)貫通5塊磚的裂縫;隨著外荷的加大,試件中裂縫條數(shù)基本不變;荷載加大到340 kN時,試件中出現(xiàn)6條新生裂縫;荷載加到350 kN時,裂縫基本充滿整個墻面。

由于試件受壓之后出現(xiàn)眾多裂縫,對每條裂縫都進(jìn)行研究不太現(xiàn)實,所以將試件中的裂縫分成中部和兩側(cè),且兩側(cè)以左部和右部進(jìn)行區(qū)分。在每一部分分析裂縫時,從頂部往下依次選取一條,如該部分沒出現(xiàn)裂縫即該處無數(shù)據(jù)。在試件10-1中不同位置的裂縫寬度變化見圖6。

圖6 不同區(qū)域裂縫寬度Fig.6 Width of cracks in different areas

由圖6可知,中部裂縫寬度相比左部、右部裂縫較小。中部最大裂縫寬度小于5 mm,而左右兩部分均超過6 mm,且中部寬度平均值為1.87 mm,左部為2.54 mm,右部為2.06 mm。

3.2 凍融循環(huán)次數(shù)對古磚砌體的影響

凍融循環(huán)后,古磚受壓性能的改變影響了古磚砌體的受壓破壞。圖7和圖8分別為不同凍融循環(huán)次數(shù)對應(yīng)的開裂荷載和破壞荷載。

圖7 開裂荷載與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.7 Cracking load vs numbers of freeze-thaw cycles

圖8 破壞荷載與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.8 Failure load vs numbers of freeze-thaw cycles

由圖7和圖8可知,凍融循環(huán)次數(shù)的不同影響了古磚砌體的破壞,大致呈先上升后下降的趨勢。在凍融循壞次數(shù)達(dá)到20時,開裂荷載和破壞荷載均較大。

3.3 荷載對古磚砌體的影響

3.3.1破壞荷載對裂縫寬度影響

隨著荷載不斷增加,裂縫不斷擴(kuò)展。當(dāng)荷載達(dá)到破壞荷載,此時試件裂縫寬度往往最大。由圖9可知,不同試件破壞荷載與相應(yīng)裂縫平均寬度關(guān)系沒有明顯的規(guī)律。

3.3.2開裂荷載與破壞荷載差值對裂縫寬度影響

由圖10可知,當(dāng)開裂荷載與破壞荷載差值小于190 kN時,對應(yīng)的裂縫平均寬度較小:差值為160 kN時,對應(yīng)裂縫平均寬度最小,為1.28 mm;差值為170 kN時,對應(yīng)的裂縫平均寬度稍大,為1.32 mm。當(dāng)開裂荷載與破壞荷載差值大于190 kN時,對應(yīng)的裂縫平均寬度在1.8 mm上下波動。

圖9 破壞荷載與裂縫平均寬度關(guān)系Fig.9 Failure load vs average of crack width

圖10 開裂荷載與破壞荷載差值對裂縫寬度關(guān)系Fig.10 Difference value between cracking load and failure load vs average of crack width

3.4 古磚砌體受壓破壞特征

圖11為凍融循環(huán)次數(shù)不同時古磚砌體第一階段加荷與破壞荷載的百分比。圖中顯示數(shù)據(jù)個數(shù)為13,是因為16個試件試驗時3個(15、20、25)凍融循環(huán)次數(shù)對應(yīng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了重合現(xiàn)象。由圖11可知,出現(xiàn)第一階段時對應(yīng)的荷載均小于破壞荷載的50%、平均為35.16%,遠(yuǎn)低于正常砌體結(jié)構(gòu)的50%～ 70%,第一階段顯著提前出現(xiàn)。

4 結(jié) 論

(1) 凍融循環(huán)次數(shù)會影響古磚砌體的受壓破壞,凍融循環(huán)20次時開裂荷載和破壞荷載較大。

圖11 不同凍融循環(huán)次數(shù)對應(yīng)出現(xiàn)第一階段時的百分比Fig.11 Percentage of being in first stage in different freeze-thaw cycles

(2) 開裂荷載與破壞荷載差值小于190 kN時裂縫平均寬度較小,大于190 kN時裂縫平均寬度在1.8 mm上下波動。

(3) 凍融循環(huán)后古磚砌體出現(xiàn)第一階段對應(yīng)的荷載與破壞荷載的百分比顯著變小、平均值為35.16%,第一階段顯著提前出現(xiàn)。

不同條件下古磚砌體力學(xué)性狀研究具有重要的實用價值,凍融循環(huán)次數(shù)、開裂荷載大小、破壞荷載大小、裂縫寬度變化之間的關(guān)系還需要進(jìn)一步研究。使用圖像處理技術(shù),可以分析試驗誤差、得到這些關(guān)系的更多細(xì)節(jié)。

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